[发明专利]用于高速电主轴变频调速控制的电压矢量给定方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及一种电机控制技术，特别涉及用于高速电主轴变频调速控制的电压矢量给定方法。

技术背景

转速超过10000r/min的电主轴通常称为高速电主轴(High Frequency Spindle)，它具有高速、无极传动和零传动链的特点。与普通主轴相比，其在功率传递性能和动态平衡能力方面具有很大的优势。并且随着电力电子技术、材料科学、数字电子技术及新型控制理论的发展，高速电主轴在高性能的伺服驱动领域显示出广阔的应用前景。目前较为常用的主轴控制方法有恒压频比控制、矢量控制和直接转矩控制三种。但是，为了实现精确控制，上述方法需要在调速系统中添加磁链观测器对主轴转子位置进行观测，这样使得算法时间较长，高速电主轴控制效果和可靠性明显下降。因此，开发出一种精确控制提高高速电主轴变频调速速度的方法很有意义。

发明内容

本发明的目的在于对高速电主轴变频调速控制系统进行优化设计，给出确定电主轴电压矢量的方法及实现装置。本发明针对对转速要求精确控制，并实现快速控制的高速电主轴，提出：根据恒压频比控制确定电压矢量幅值，根据固定位置点的开环电压空间矢量调制(SVPWM)确定电压矢量的相位和作用时间，完成高速电主轴调速系统控制。这样的设计方法，在算法简单，调速用时较短的前提下，保证了高速电主轴输出转矩恒定，降低了系统成本，适用于高速电主轴精确控制。同时它可以提高直流电压利用率，显著减少逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，降低电机的转矩脉动。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：用于高速电主轴变频调速控制的电压矢量给定方法，以下简称电压矢量给定方法，其步骤如下：

A.电压矢量给定方法运行所用装置及操作：

用于高速电主轴变频调速控制的电压矢量给定方法所用装置，包括转速给定模块、DSP控制模块、功率电路、高速电主轴、母线电源模块和驱动控制电源模块，其中，驱动控制电源模块为转速给定模块、DSP控制模块和功率电路进行供电，母线电源模块为功率电路提供可逆变的直流电；转速给定模块、DSP控制模块、功率电路和高速电主轴依次用导线连接；

B.电压矢量给定方法运行步骤：

第一步，确定定子电压幅值：

通过转速给定模块设定高速电主轴运行的转速n_s，将该转速带入转速计算公式得到调速控制系统运行所需的实际频率，然后通过恒压频比控制得到高速电主轴的初始定子电压的幅值；再通过定子电流进行定子电压补偿，进而通过公式(1)得到最终的定子电压幅值U_s；

式中，k＝U/f，U为电主轴额定电压，f为电主轴额定频率，k为恒压频比系数，p为电机极对数，I为定子电流，R为定子绕组的电阻值；

第二步，确定高速电主轴运行的转速n_s与定子空间电压矢量个数m的关系：

通过DSP控制模块读取对应高速电主轴运行转速为n_s时电压矢量的作用时间Δt，并根据定子空间电压矢量个数m与电压矢量的作用时间Δt与第一步设定高速电主轴运行的转速n_s之间的如下关系公式(2)

计算高速电主轴运行转速为n_s时，对应的定子空间电压矢量个数m；再将得到的所有的空间电压矢量个数m与高速电主轴运行的转速n_s进行统计，最终得到，高速电主轴运行的转速n_s与定子空间电压矢量个数m之间的关系为：

当设定的高速电主轴运行的转速n_s为30001-60000r/min时，选定定子空间电压矢量个数m为12；当设定的高速电主轴运行的转速n_s为15001-30000r/min时，选定定子空间电压矢量个数m为24；当设定的高速电主轴运行的转速n_s为1000-15000r/min时，选定定子空间电压矢量个数m为48；

第三步，确定定子空间电压矢量：

根据第一步设定的高速电主轴运行的转速n_s和按照第二步确定的空间电压矢量个数m，由位置已经确定的6个基本电压矢量根据如下的公式(3)合成m个定子空间电压矢量将第一步中得到的定子电压矢量幅值U_s带入如下的公式(3)；

上式中表示需要合成的定子空间电压矢量，U_s表示定子电压幅值，U_max表示定子电压幅值的最大值，和分别表示对应的基本定子电压矢量；